淺談水文地質研究中的虛擬現實技術

翟勝強 魏良帥

（四川省地質礦產勘查開發局成都水文地質工程地質隊，四川成都610072）

虛擬現實技術主要是利用計算機生成的虛擬現實的環境逼真的模擬人在自然環境中的聽覺和視覺等行為而進行的人機界面的新技術。利用虛擬現實技術的實時表現、沉浸感、與計算機交互的功能可以建立起相關的水文地質模型，從而實現對地下水質、水流及環境地質的深入研究，以促進人們對地下水的開采及提高工程建設的可靠性。

一、虛擬現實技術概述

1 概念

虛擬現實技術主要是指利用計算機生成的虛擬環境對人在自然環境中的視覺、運動、聽覺等行為進行逼真模擬的人機界面技術。虛擬現實技術是由美國的VPL.Research公司創始人于1989年所創造，通常情況下被稱為虛擬現實。虛擬現實技術主要有沉浸、交互、構想三個基本特征，對于虛擬現實系統的發展主要有兩個基本方向，一是基于虛擬現實技術的發展，二是基于萬維網和因特網的三維圖形環境的發展。虛擬現實技術自從20世紀90年代開展以來，利用其虛擬環境與現實無限貼近的特點，使實際環境中難以進行模擬和實現的復雜結果得以簡單的表現出來，并實現了對各種不同條件的預測和結果計算，對于現實環境中各方面的發展都起到了良好的促進作用。當前，虛擬現實技術主要應用在軍事、電子儀器檢測、遠程高等教育、模具制作、新產品開發等方面，對人類的生產、生活產生了巨大的影響。

2 優點

虛擬現實技術是一種綜合了眾多優點的新技術，在其應用的過程中，自身所具有的優勢得到了充分的顯示。虛擬現實技術的主要優勢為：①實時表達，虛擬現實技術最大的一個優點就是可以在不同的時間、不同的地點進行環境變化的虛擬，可以隨時反應事物的動態變化過程，從而提供有效的數據信息。②三維立體表達，虛擬現實技術由于較多的與計算機技術連接，將計算機的立體表達優勢充分顯現出來，可以實現對所要表達內容從不同的角度進行展現和研究。③反映細致，對于研究物體，即使是再細小的差別，虛擬現實技術也可以將其充分的反應出來，并且能夠實現對研究物體全貌的綜合研究。④實現對事物發展的預測，虛擬現實技術的應用不僅可以實現對已存在事物的細致表達，同時還可以實現對尚未存在但可能發生的事物變化進行虛擬反映。⑤反映結果全面，建立虛擬的現實系統，不僅可以實現對事物發展過程的虛擬，還可以根據不同的條件，虛擬出不同的結果。⑥為研究發展提供了新的方向，虛擬現實技術的應用為對各種未知環境的探究提供了新的研究放向和研究方法。

3 應用條件

虛擬現實技術具有較強的實現事物三維可視化的功能，但需要用海量的數據資料作為支持。基礎資料越是全面、豐富，虛擬出來的結果就越貼近現實。

二、虛擬現實技術在水文地質中的應用

1 虛擬現實技術對地下水流的表達

在水文地質研究中，地下水流的運動規律是其研究的重要組成部分，地下水流的運動是一個動態的變化過程，也是目前水文地質研究中最活躍的研究因素。在研究地下水流時，虛擬現實系統不僅可以利用自身實時變化的功能對地下水流的運動變化進行虛擬的表達，以充分的表現出地下水流的特點，還可以對地下水開采后對地下水的變化情況進行虛擬，使人們充分了解在開采利用地下水后對含水系統造成的影響，從而使人們采取相應的措施或者是減少對地下水的開采。在對地下水流研究的虛擬過程中，不僅可以實現對地下水的可視化管理，還可以由此虛擬出相應的開采方式和管理方案，并利用虛擬現實技術對其進行不斷的完善和表達，從而實現對地下水流研究的可靠性和科學性。

2 虛擬現實技術對含水層的表達

在以往的研究工作中，只能夠通過剖面圖來展示隔水層和含水層的分布特點，在平面圖中則通過含水層厚度的等值線來表現含水層的空間分布特點，這樣進行研究分析，既不夠直觀，也不夠全面，對于含水層和隔水層的變化狀況研究起到的作用不大。虛擬現實技術中的三維可視化功能能夠將地下含水層與隔水層的分布、空間的變化情況及含水層的厚度很好的進行真實再現，對于深入研究隔水層和含水層有很大的幫助，同時，隨著虛擬現實系統中資料的不斷完善，人們對地下含水系統的研究也更加深入、全面。

3 水文地質環境問題

隨著經濟的快速發展，人口不斷增長，人們對地下水的開采利用也不斷的增長，導致過分開采，從而引發了地下水位持續下降、地面沉降、水資源枯竭、土壤沙漠化等環境地質問題，對人類的居住環境形成了巨大的威脅，嚴重影響了人們生活質量的提高。由于虛擬技術既可以對存在的事物發展過程進行虛擬，也可以對尚未存在但可能發生的事物進行虛擬，將其利用在水文地質環境的監測上，則可以實現對開采地下水可能引發的各種環境問題進行虛擬分析，從而制定出相應的對策或減少對水資源的開發，以減少環境問題給人類帶來的災害。

4 地下水水質的虛擬表現

當前，由于經濟快速發展，造成環境污染嚴重，影響到了地下水的水質，也影響到了人們對地下水的開采使用。利用虛擬現實技術，可以對地下水在自然狀態下的變化進行虛擬，從而找出對地下水水質影響較大的因素，以實現對水質變化更深刻的理解，為人們提供有效的控制水質惡化的方法，使地下水質逐步轉為良性循環，水質恢復正常。在研究地下水質時，可以建立相應的水質虛擬實驗室，將可能影響地下水質的因素都虛擬出來，并對這些影響因素進行分析研究，找出相應的解決方案，以實現對影響因素的良好控制，從而改變地下水的水質，以保證人類的生活質量。

5 水資源的規劃

虛擬現實技術最早主要應用與較小區域的規劃，隨著不斷的發展惡化創新，當前已在水資源的規劃和水源地的建立等方面得到了廣泛的應用，并未人類進行水資源的規劃設計提供了一個良好的平臺。在開采水資源之前，利用虛擬現實技術對水資源開發區域的環境條件、地質條件和水文條件等進行虛擬表達，并建立起相應的模型，進行研究分析，將對水資源難度開發方案和由此可能產生的環境變化情況很好的虛擬出來，從而使人們可以針對問題進行研究分析，并進行有效的修正，從而促進水資源規劃方案的不斷完善，以保證實現水資源的可持續使用。

三、虛擬現實模型的研究步驟

1 建立虛擬現實數據庫

根據虛擬現實技術的要求，要根據實際的數據特點建立相應的數據庫，盡可能的搜集大量的數據作為研究的基礎，而且還要確保所收集資料的全面性，以保證數據庫所搜集資料的應用價值。

2 建立地下水水流模型

建立地質模型之后，還要建立相應的地下水流模型，由于地下水流是水文地質研究中最為活躍的研究因素，所以，對其進行研究分析，可以充分的了解地下水流的運動情況，從而對地下水的開采做出正確的判斷。

3 建立三維地質模型

建立起虛擬現實數據庫之后，要考慮建立起三維地質結構模型，因為任何的水文地質問題都離不開地質條件的影響，建立地質模型可以對地質結構進行充分的研究，從而保證對水文地質研究的可靠性，以保證滿足人們的需求。

4 建立專業模型

針對要解決的實際問題和要虛擬的內容，還要建立起相應的專業模型。專業模型是指為了表達一種特殊的目的而建立的，如表達海水入侵，需要建立與海水入侵有關的水質模型和水流模型，如果要表達的是地面沉降問題，則要建立起與地面沉降有關的專業模型，以保證對所研究內容的專業性和深入性。

5 建立實時預測模型

對于所要研究的內容和所要解決的實際問題還應當建立其相應的實時預測模型，虛擬現實技術與其他技術的主要區別就是沉浸感和實時表達的功能，利用其實時表達功能可以將建立的模型呈現動態發展，以實現對所研究問題的實時分析和表達，從而實現對存在問題的良好解決。

四、實例解析

在進行某地下水系統水文地質結構研究過程中，采用的是三維可視化的虛擬現實技術研究，在充分搜集該地區水文地質資料的基礎上，對于研究區的水文地質結構和地下水面采用虛擬表達技術進行研究，主要包括水文地質結構及地下水水面的虛擬建模算法和三維表達模式。通過研究，對于地下水水流的運動及含水層有機結合進行虛擬研究，充分的揭示了地下水的運動情況，為該區域的水資源評價和管理提供了三維可視化的研究平臺。

結語

虛擬現實技術是一種計算機方面的最新研究成果，它在水文地質研究中的應用極大的促進了人類對地下水開采的發展，使人們可以對開采地下水的情況及其引發的結果進行研究分析，并制定出相應的策略，從而有效促進對地下水的合理利用。通過運用虛擬現實技術建立的各種模型，可以對地下水的變化情況進行實時的監控，從而實現對其水質和開采利用的良好控制，以保證實現人們對水資源的可持續利用，促進人類的可持續發展。

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